Dispositivos de película delgada más rápidos para el almacenamiento de energía

Un equipo internacional encuentra nuevas películas delgadas de óxido monocristalino con cambios rápidos y dramáticos en las propiedades eléctricas mediante la intercalación de iones de litio a través de canales de transporte iónico diseñados.

Instituto Max Planck de Física de Microestructuras

Imagen: La rápida migración de iones Li a lo largo de los canales verticales 2D de la película delgada de T-Nb2O5 da como resultado una transición colosal entre aislante y metal. Los poliedros azul y morado denotan redes de T-Nb2O5 no litiadas y litiadas, respectivamente. Las esferas de color verde brillante representan iones de Li.ver más

Crédito: MPI de Física de Microestructuras, Patricia Bondia

Un equipo de investigación internacional del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, Halle (Saale), Alemania, la Universidad de Cambridge, Reino Unido y la Universidad de Pensilvania, EE.UU., informó sobre la primera realización de películas delgadas monocristalinas de T-Nb2O5 con propiedades bidimensionales. (2D) canales verticales de transporte iónico, lo que da como resultado una rápida y colosal transición aislante-metal a través de la intercalación de iones Li a través de los canales 2D.

Desde la década de 1940, los científicos han estado explorando el uso de óxido de niobio, específicamente una forma de óxido de niobio conocida como T-Nb2O5, para crear baterías más eficientes. Este material único es conocido por su capacidad de permitir que los iones de litio, las diminutas partículas cargadas que hacen funcionar las baterías, se muevan rápidamente en su interior. Cuanto más rápido puedan moverse estos iones de litio, más rápido se podrá cargar una batería.

Sin embargo, el desafío siempre ha sido hacer crecer este material de óxido de niobio en capas o "películas" delgadas y planas que sean de calidad suficientemente alta para usarse en aplicaciones prácticas. Este problema surge de la compleja estructura del T-Nb2O5 y de la existencia de muchas formas similares, o polimorfos, de óxido de niobio.

Ahora, en un artículo publicado enMateriales de la naturaleza, investigadores del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras de la Universidad de Cambridge y de la Universidad de Pensilvania han demostrado con éxito el crecimiento de películas delgadas monocristalinas de alta calidad de T-Nb2O5, alineadas de tal manera que los iones de litio pueden moverse incluso más rápido a lo largo de los canales verticales de transporte iónico.

Las películas de T-Nb2O5 sufren un cambio eléctrico significativo en una etapa temprana de la inserción de Li en las películas inicialmente aislantes. Se trata de un cambio espectacular: la resistividad del material disminuye en un factor de 100 mil millones. El equipo de investigación demuestra además el funcionamiento sintonizable y de bajo voltaje de dispositivos de película delgada alterando la composición química del electrodo de "puerta", un componente que controla el flujo de iones en un dispositivo, ampliando aún más las aplicaciones potenciales.

El grupo del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras se dio cuenta del crecimiento de las películas delgadas monocristalinas de T-Nb2O5 y demostró cómo la intercalación de iones de litio puede aumentar drásticamente su conductividad eléctrica. Junto con el grupo de la Universidad de Cambridge, se descubrieron múltiples transiciones hasta ahora desconocidas en la estructura del material a medida que cambiaba la concentración de iones de litio. Estas transiciones cambian las propiedades electrónicas del material, permitiéndole pasar de ser un aislante a un metal, es decir, pasar de bloquear la corriente eléctrica a conducirla. Investigadores de la Universidad de Pensilvania racionalizaron las múltiples transiciones de fase que observaron, así como cómo estas fases podrían estar relacionadas con la concentración de iones de litio y su disposición dentro de la estructura cristalina.

Estos resultados sólo podrían haber sido exitosos gracias a las sinergias entre los tres grupos internacionales con diversas especialidades: películas delgadas del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, baterías de la Universidad de Cambridge y teoría de la Universidad de Pensilvania.

"Al aprovechar el potencial del T-Nb2O5 para experimentar transiciones colosales entre aislante y metal, hemos abierto una interesante vía de exploración para soluciones electrónicas y de almacenamiento de energía de próxima generación", dice el primer autor Hyeon Han, del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras. .

"Lo que hemos hecho es encontrar una manera de mover los iones de litio de una manera que no altere la estructura cristalina de las películas delgadas de T-Nb2O5, lo que significa que los iones pueden moverse significativamente más rápido", dice Andrew Rappe de la Universidad de Pensilvania. "Este cambio dramático permite una variedad de aplicaciones potenciales, desde computación de alta velocidad hasta iluminación energéticamente eficiente y más".

Clare P. Gray, de la Universidad de Cambridge, comenta que "la capacidad de controlar la orientación de estas películas nos permite explorar el transporte anisotrópico en esta clase de materiales tecnológicamente importante, lo cual es fundamental para nuestra comprensión de cómo operan estos materiales".

"Esta investigación es un testimonio del poder de una colaboración interdisciplinaria entre experimentos y teoría y de una insaciable curiosidad científica", dice Stuart SP Parkin, del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras. "Nuestra comprensión del T-Nb2O5 y materiales complejos similares ha mejorado sustancialmente, lo que esperamos que nos lleve a un futuro más sostenible y eficiente, aprovechando el muy interesante campo de la iontrónica que va más allá de la electrónica actual basada en cargas".

Esta investigación fue apoyada por el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (Subvención No 737109); una Cátedra Alexander von Humboldt otorgada a SSPP; el Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias, Ciencias Energéticas Básicas (Premio # DE-SC0019281); el proyecto CATMAT de la Institución Faraday (FIRG016); la Oficina de Investigaciones Navales (Subvención N00014-20-1-2701); el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética del DOE y la Oficina de Modernización de Computación de Alto Rendimiento (HPCMO) del Departamento de Defensa de EE. UU.

Materiales de la naturaleza

10.1038/s41563-023-01612-2

Estudio experimental

Iontrónica de Li en películas delgadas monocristalinas de T-Nb2O5 con canales verticales de transporte iónico.

27-jul-2023

Los autores no declaran tener intereses financieros en competencia.

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